Смекни!
smekni.com

Общие положения теории относительности (стр. 2 из 7)

Каков же в этом случае физический смысл одновременности? Что соответствует последовательности одних и тех же для всей Вселен­ной моментов? Что соответствует понятию единого времени, единооб­разно протекающего во всем мире?

Мы можем найти некоторый физический смысл понятия одновре­менности и таким образом придать самостоятельную реальность чисто пространственному аспекту бытия, с одной стороны, и абсолютному времени - с другой, даже в том случае, когда все взаимодействия распространяются с конечной скоростью. Но условием для этого слу­жит существование неподвижного в целом мирового эфира и возмож­ность определить скорости движущихся тел абсолютным образом, от­нося их к эфиру как единому привилегированному телу отсчета.

Представим себе корабль с экранами на носу и на корме. в центре корабля на равных расстояниях от обоих экранов зажигают фонарь. Свет фонаря одновременно достигает экранов, и мгновения, когда это происходит можно отождествить. Свет падает на экран, находящийся на носу корабля в то же самое мгновение, что и на эк­ран, находящийся на корме. Таким образом, мы находим физический прообраз одновременности.

Синхронизация с помощью световых сигналов, одновременно при­бывающих в два пункта из источника, расположенного на равном расстоянии от них, возможна, если источник света и указанные два пункта покоятся в мировом эфире, т.е. когда корабль неподвижен по отношению к эфиру. Синхронизация возможна и в том случае, когда корабль движется в эфире. В указанном случае свет дойдет до экра­на на носу корабля немного позже, а до экрана на корме - немного раньше. Но, зная скорость корабля относительно эфира, мы можем определить опережение луча, идущего к экрану на корме и запазды­вание луча, идущего к экрану на носу, и, учитывая указанные опе­режение и запаздывание, синхронизировать часы, установленные на корме и на носу корабля. Мы можем, далее, синхронизировать часы на двух кораблях, движущихся относительно эфира с различными, но постоянными, известными нам скоростями. Но для этого также необ­ходимо, чтобы скорость кораблей относительно эфира имела опреде­ленный смысл и определенное значение.

Здесь возможны два случая. Если корабль при движении пол­ностью увлекает за собой эфир, находящийся между фонарем и экра­нами, то не произойдет запаздывания луча, идущего к экрану на но­су корабля. При полном увлечении эфира, корабль не смещается от­носительно эфира, находящегося над его палубой, а скорость света относительно корабля не будет зависеть от движения корабля. Тем не менее, мы сможем зарегистрировать зарегистрировать движение корабля с помощью оптических эффектов. По отношению к кораблю скорость света не изменится, но она изменится по отношению к бе­регу. Пусть корабль движется вдоль набережной: на набережной - два экранаа1 и а2, причем расстояние между ними равно расстоянию между экранами на корабле. Когда экраны на движущемся корабле оказались против экранов на набережной, в центре корабля зажига­ется фонарь. Если корабль увлекает за собой эфир, то свет фонаря дойдет одновременно до экрана на корме и до экрана на носу, но в этом случае свет дойдет в различные моменты до экранов на непод­вижной набережной. В одном направлении скорость движения корабля относительно набережной будет прибавляться к скорости света, а в другом направлении скорость движения корабля нужно будет вычесть из скорости света. Такой результат - различные скорости света от­носительно берега - получится, если корабль увлекает эфир. Если же корабль не увлекает эфир, то свет будет двигаться с одной и той же скоростью относительно берега и с различной скоростью от­носительно корабля. Таким образом, изменение скорости света ока­жется результатом движения корабля в обоих случаях. Если корабль движется, увлекая эфир, то меняется скорость относительно берега; если же корабль не увлекает эфир, то меняется скорость света от­носительно самого корабля.

В середине XIX века техника оптических экспериментов и изме­рений позволила уловить очень небольшие различия в скорости све­та. Оказалось возможным проверить, увлекают движущиеся тела эфир, или не увлекают. В 1851 г. Физо (1819 - 1896) доказал6 что тела не увлекают полностью эфир. Скорость света, отнесенная к непод­вижным телам, не меняется, когда свет проходит через движущиеся среды. Физо пропускал луч света через неподвижную трубку, по ко­торой текла вода. По существу вода играла роль корабля, а трубка

- неподвижного берега. Результат опыта Физо привел к картине дви­жения тел в неподвижном эфире без увлечения эфира. Скорость этого движения можно определить по запаздыванию луча, догоняющего тело (например, луча направленного к экрану на носу движущегося кораб­ля), по сравнению с лучом, идущим навстречу телу (например, по сравнению с лучом фонаря, направленным к экрану на корме). Тем самым можно было, как казалось тогда, отличить тело, неподвижное относительно эфира, от тела, движущегося в эфире. В первом ско­рость света одна и та же во всех направлениях, во втором на меня­ется в зависимости от направления луча. Существует абсолютное различие между покоем и движением, они отличаются друг от друга характером оптических процессов в покоющихся и движущихся средах.

Подобная точка зрения позволяла говорить об абсолютной од­новременности событий и о возможности абсолютной синхронизации часов. Световые сигналы достигают точек, расположенных на одном и том же расстоянии от неподвижного источника, в одно и то же мгно­вение. Если же источник света и экраны движутся относительно эфи­ра, то мы можем определить и учесть запаздывание светового сигна­ла, вызванное этим движением, и считать одним и тем же мгновением

1) момент попадания света на передний экран с поправкой на запаз­дывание и 2) момент попадания света на задний экран с поправкой на опережение. Различие в скорости распространения света будет свидетельствовать о движении источника света и экранов по отноше­нию к эфиру - абсолютному телу отсчета.

Эксперимент, который должен был показать изменение скорости света в движущихся телах и соответственно абсолютных характер движения этих тел, был выполнен в 1881 г. Майкельсоном (1852 -

1931). В последствии его не раз повторяли. По существу, экспери­мент Майкельсона соответствовал сравнению скорости сигналов, иду­щих к экранам на корме и на носу движущегося корабля, но в ка­честве корабля была использована сама Земля, движущаяся в прост­ранстве со скоростью около 30 км/сек. Далее, сравнивали не ско­рость луча, догоняющего тело и луча, идущего навстречу телу, а скорость распространения света в продольном и поперечном направ­лениях. В инструменте, примененном в опыте Майкельсона, так назы­ваемом интерферометре, один луч шел по направлению движения Земли

- в продольном плече интерферометра, а другой луч - в поперечном плече. Различие в скоростях этих лучей должно было продемонстри­ровать зависимость скорости света в приборе от движения Земли.

Результаты эксперимента Майкельсона оказались отрицательны­ми. На поверхности Земли свет движется с одной и той же скоростью во всех направлениях.

Такой вывод казался крайне парадоксальным. Он должен был привести к принципиальному отказу от классического правила сложе­ния скоростей. Скорость света одна и та же во всех телах, движу­щихся по отношению друг к другу равномерно и прямолинейно. Свет проходит с неизменной скоростью, приблизительно равной 300000 км/сек., мимо неподвижного тела, мимо тела, движущегося навстречу свету, мимо тела, которое свет догоняет. Свет - это путник, кото­рый идет по полотну железной дороги, между путями, с одной и той же скоростью относительно встречного поезда, относительно поезда, идущего в том же направлении, относительно самого полотна, отно­сительно пролетающего над ним самолета и т.д., или пассажир, ко­торый движется по вагону мчащегося поезда с одной и той же ско­ростью относительно вагона и относительно Земли.

Чтобы отказаться от классических принципов, казавшихся со­вершенно очевидными и непререкаемыми, понадобилась гениальная си­ла и смелость физической мысли. Непосредственные предшественники Эйнштейна подошли очень близко к теории относительности, но они не могли сделать решающего шага, не могли допустить, что свет не кажущимся образом, а в действительности распространяется с одной и той же скоростью относительно тел, которые смещаются одно от­носительно к другому.

Лоренц (1853-1928) выдвинул теорию, сохраняющую неподвижный эфир и классическое правило сложения скоростей и вместе с тем совместимую с результатами опытов Майкельсона. Лоренц предполо­жил, что все тела при движении испытывают продольное сокращение, они уменьшают свою протяженность вдоль направления движения.

Если все тела сокращают свои продольные размеры, то нельзя обнаружить подобное сокращение непосредственным измерением, нап­ример прикладыванием линейки с делениями к движущемуся стержню. При этом движется и линейка и соответственно уменьшаются ее длина и размеры нанесенных на нее делений. Лоренцово сокращение компен­сирует изменения скорости света, вызванные движением тела относи­тельно эфира. Луч света движется медленнее в продольном плече ин­терферометра, но само плечо, благодаря движению, стало короче, и свет проходит свой путь в продольном плече в течение того же вре­мени, что и в поперечном плече. Различие в скорости света в силу этого компенсируется и не может быть обнаружено. Таким образом Лоренц рассматривает обнаруженное Майкельсоном постоянство ско­рости света как чисто феноменологический результат взаимной ком­пенсации двух эффектов движения: уменьшение скорости света и сок­ращения проходимого им расстояния. С такой точки зрения класси­ческое правило сложения скоростей остается незыблемым. Абсолютный характер движения сохраняется - изменение скорости света сущест­вует; следовательно, движение может быть отнесено не к другим те­лам, равноправным эфиру, а к универсальному телу отсчета - непод­вижному эфиру. Сокращение носит абсолютный характер - существует истинная длина стержня, покоящегося относительно эфира, иными словами, стержня, покоящегося в абсолютном смысле.